Ян Беленький. Открытие нового класса схем-многофазных мультивибраторов

Беленький Ян Ефимович

доктор технических наук,профессор в области «техническая кибернетика и
теория информации»

Краткое описание разработки новых элементов

информационной техники и информационной теории

по расширению теории К.Шеннона на пространственно-

временные процессы .



Аннотация.

В настоящем обзоре описана краткая история изобретения одного из
основных элементов информационных приборов -многофазного
мультиви-братора, открытия нового физического эффекта и работ по
расширению информационной теории К.Шеннона на пространственные процессы
.

Открытие нового класса схем-многофазных мультивибраторов

Исторически первая схема мультивибратора,состоящая из двух
элек-тронных ламп,замкнутых в кольцо положительной обратной связи,
которая представляла собой импульсный генератор,была открыта в 1916г.
американ-скими физиками А.Абрагамом (A.Abraham) и Е.Блохом (E.Bloch) и
была опу-бликована в физическом журнале «Annales de Physique“ в виде
двухламповой схемы, охваченной положительной обратной связью, с
конденсаторными межкаскадными связями.Она была названа генератором
прямоугольных импульсов.

В 1919г. американские учёные В.Икклс (W.Ikkls) и Ф.Иордан (F.Jordan)
предложили двухламповую схему также охваченной положительной обрат-ной
свяью с резисторными межкаскадными связями, которая имела два устойчивых
состояния, в которые она переходила только при подаче внешних пусковых
импульсов.

Голландский физик Ван-дер Поль импульсный генератор назвал
мульти-вибратором,а схема с двумя устойчивыми состояниями была названа
триг-

1

гером.В последствии обе эти схемы, имеющие резко отличные по частоте
стадии (низкочастотную, названную релаксацией, и высокочастотную,
названную опрокидыванием) получили название релаксационных схем или
релаксационных генераторов.

В то время трудно было оценить важность этих открытий.Так
продолжа-лось примерно 25-30 лет. Настоящую оценку они получили в
середине 20 века (в 50-е годы) в связи с развитием радиолокации и
разработкой приборов вычислительной техники, как элементы имеющие два
устойчивых состояния и позволяющие представлять,передавать,обрабатывать
и принимать инфор-мацию в наиболее помехоустойчивом двоичном коде.

Конечно,тогда никто не мог предположить, что они станут основой
приборов дискретной современной информатики. Ни авторы этих
изобре-тений, ни специалисты радиотехники не могли оценить их важность.

В 40-ые и 50-ые годы прошлого столетия стало ясно, что развитие
инфор-

мационных приборов должно основываться на дискретной технике (degital
Technik).Толчком к этому выводу послужило развитие и построение точных
вычислительных систем.

Аналоговые вычислители всегда имели ограничение по точности,
свя-занное с нестабильностью аналоговых устройств.Необходимо было
строить стабильные, помехоустойчивые вычислители, которые требовала
быстро развивающаяся техника, в частности, военная.

Поскольку самые надёжные элементы должны были иметь минимальное
число различных состояний, то отсюда следовало, что в основе
вычислителей должны быть устройства (схемы) только с двумя устойчивыми
состояниями и все вычисления и вычислительные операции также должны быть
основаны на элементах с двумя устойчивыми состояниями.

Ещё к началу ХХ века была разработана булева алгебра, основанная
на двоичной системе счисления, и двоичная логика, у которой были два
символа (цифры) ноль и единица. В настоящее время специалисты
информатики ещё в вузах изучают булеву алгебру и двоичную логику,на
базекоторой разрабатываются программы для вычислительных инфомационных
устройств.

Поэтому первые дискретные вычислители были построены на
простей-ших двоичных элементах - электро-магнитных реле.Такие
вычислители обладали рядом существенных недостатков. Крайне медленное
срабатывание большие габариты и вес и большое потребление электрической
энергии.

Естественно, что разработчиков вычислительных приборов вскоре
привлекли в качестве элементов - электронные лампы, которые были
ис-пользованы ещё в 20-х годах американскими физиками А.Абрагамом и
Е.Блохом в двухламповой схеме мультивибратора и В.Икклсом и Ф.Иорда-ном
в двухламповой схеме триггера,которые имели два различных состояния.

Ламповые схемы позволили в десятки тысяч раз увеличить
быстродей-ствие вычислителей, значительно уменьшить их мощность
потребления и

2

габариты по сравнению с релейными схемами.

В связи с открытием в 1948г. американскими физиками У.Шокли,
Д.Бардиным и У.Браттейном транзисторного эффекта (усилительного эффекта
на кристалле), который позволил заменить лампы и в десятки тысяч раз
уменьшить габариты релаксационных схем,их потребляемую мощность и почти
во столько раз увеличить быстродействие, они стали основными элементами
современных компьютеров и всевозможных дискретных информационных
приборов и систем.

Сегодня,спустя столетие после изобретения ламповой схемы триггера,
схема триггера в транзисторном исполнении стала основной электронной
схемой, используемой в компьютерах и в любом информационном приборе,
поскольку она позволяет запоминать и реализовывать все математические
операции в двоичной цифровой системе счисления, а также булевую алгебру,
лежащую в основе всех логических, вычислительных операций и операций
кодирования и декодирования, задаваемых программами совремённых
компьютеров.

Однако история открытия новых релаксационных генераторов на этом не
окончилась.

Эти схемы состояли из двух каскадов.Никто не мог предположить, что
в

семидесятые годы будут созданы двумерные жидкокристаллические экраны с
дискретным представлением видеоинформации, для чего понадобятся
ре-лаксационные схемы, создающие последовательность импульсов, сдвинутую
во времени и в пространстве, которые могут сканировать дискретные точки
изображения, при этом оставаясь экономичными по числу элементов,
потреб-ляемой мощности и позволяющие получить предельно возможное
быстро-действие.

Это должны были быть схемы, обобщающие двухламповые схемы с дву-мя
выходами американских учёных, на произвольное число выходов.

В сентябре 1955г. после окончания Львовского политехнического
инсти-тута автор поступил на работу инженером в Институт машиноведения
и автоматики (ныне Физико-механический институт) академии наук Украины

после окончания радиотехнического факультета Львовского
политехни-ческого института и по заданию руководителя группы
младшегонаучного сотрудника А.Н.Свенсона стал работать над схемой
коммутации для 10-канальной измерительной станции с временным
разделением каналов для электрического карротажа нефтяных скважин на
одножильном кабеле.

В основу была взята известная схема кольцевого многофазного
квазиси-нусоидального генератора, описанная в книге Петровича Н.Т. и
Козырева В.В. «Генерирование и преобразование электрических
импульсов».Была мне поставлена задача, приблизить форму импульса к
прямоугольной, а затем добиться чёткого разделения измерительных каналов
во времени.

Решить эту задачу я решил следующим образом.Вначале включить в
катодную цепь каждой лампы кольцевого многофазного квазисинусоидаль-

3

ного генератора сопротивление,которое будет создавать отрицательную
обратную связь, которая сформирует разделённую в пространстве
последо-вательность полусинусоид.Однако затем с целью уменьшения числа
элемен-тов я включил одно общекатодное переменное сопротивление и стал
его изменять (увеличивать и уменьшать).

Совершенно неожиданно на экране осциллографа скачком вместо
улуч-шенного квазисинусоидального напряжения возникли импульсы с
крутыми фронтами и чёткими интервалами между ними.

Стало ясно,что это новый неизвестный импульсный режим и основной
вопрос, который возник, появляются ли эти импульсы во всех каскадах,
т.е. сдвинуты ли они в пространстве и во времени.Если это так,то открыта
новая импульсная схема, а вместе с ней новый класс импульсных схем,
генери-рующая импульсы, сдвинутые во времени и в пространстве, которую,
есте-ственно, можно использовать в качестве коммутатора в многоканальных
системах с временным разделением каналов.

Оказалось,что схема действительно генерирует последовательно во
вре-мени каждым каскадом импульсы, которые сдвинуты во времени и в
про-странстве.При этом открыта и потребляет ток только одна генерирующая
импульс лампа, а остальные закрыты.

Стало ясно,что открыт совершенно новый класс импульсных
релакса-ционных генераторов, который состоит не из двух каскадов, как
генераторы Шокли, Абрагама,Икклза и Блоха, а , в принципе, из
произвольного числа каскадов.

Поэтому эта схема была мною названа многофазным мультивибратором.
Впоследствии этот термин по отношению к мультибратору и, вообще,
релак-сационным генераторам «легко» вошел в техническую литературу,
посколь-ку правильно отображал суть работы схемы.В 1957г.было получено
первое советское авторское свидетельство №105479 на приципиально новую
им-пульсную схему под названием «Многофазный мультивибратор» с
приори-тетом от 9 февраля 1956г, которая положила начало целому классу
новых схем.

В дальнейшем была разработана углублённая теория работы этого класса
схем. Полученное автором заочно второе высшее университетское
образо-вание - «математик» позволило углубиться в теорию колебаний этого
класса схем.Оказалось,что их работа описывается системой нелинейных
дифферен-циальных уравнений 2n-мерного порядка с малым параметром при
старших производных, что представляло большой теоретический интерес,как
математическая проблема.

Общей теорией этого класса уравнений занимался известный советский
математик, академик Л.С.Понтрягин.Полученные уравнения для многофаз-ных
мультивибраторов дали первый и, возможно, единственный пример реально
существующей схемы, описываемой этой системой уравнений при n больше 2.

Была разработана качественная теория этих схем, которая показала,
что

4

эти схемы обладают целым рядом режимов генерации нескольких импуль-сов,
которые были названы серийными.Самый устойчивый режим работы, как
показала теория и практика, был режим генерации одного импульса за
период. Были предложены ещё ряд многофазных схем,в том числе и
мно-гофазных триггеров, на которые было получено 13 авторских
свидетельств. Как следует из данных интернета, до настоящего времени
существует не только интерес к этому классу схем, но и различными
авторами предла-гаются новые схемы.

Такой интерес легко объяснить.

Эти схемы обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с
другими схемами, создающими сдвинутую во времени и в пространстве
пос-ледовательность импульсов, например,по сравнению с цепочкой
триггеров..

Во-первых,они предельно экономичны по потреблению электрической
энергии, потребляет только один каскад,генерирующий импульс.Это в число
раз, равное числу фаз, уменьшает мощность потребления цепочки
релакса-ционных схем , и позволяет нагружать генерирующий каскад
знчительным током для получения высокого быстродействия.

Во-вторых, она имеет минимальное число элементов на один каскад и,
тем самым, легко может быть реализована,особенно в микроминиатюрном
испол-нении, в частности, в виде транзиторных интегральных схем.

В-третьих, она может работать в различных режимах управления:
1.автоколебательный с тактированием каждого импульса одним стабильным по
частоте генератором для получения высокой стабильности по длитель-ности
каждого импульса,

2.ждущий режим с запуском первого каскада и генерацией серии импульсов,
равной числу каскадов,

3.наконец,шаговый с сдвигом от каждого тактирующего импульса.

@

B

D

X

Z

\

@

D

e

e

i

*

Z

\

`

O

e

i

i

u

водимости при этом независимо от числа звеньев цепи открыто только
одно.

Материалы этих работ были опубликованы в первых двух монографиях
[1,2].

Со временем стало ясно,что следует проводить более глубокое
изучение возможностей этого класса импульсным схем в прикладном плане.

Вначале 70-х годов были детально исследованы предельно частотные
свойства этого класса схем [3].Было показано,что максимальная частота,
которая может быть получена для релаксационных схем на кремневых
транзисторах, имеет порядок 4-5 ГГц.Для многофазных мультивибраторов
граничная частота ещё зависит и от числа каскадов.Были выявлены
физи-ческие причины ограничения частотных свойств релаксаторов.

Интересно отметить,что сегодня самые высокоскоростные процессоры
современных компьютеров имеют частоту 3,6 ГГц.Дальнейшее повышение
скорости работы компьютеров достигается не увеличением частоты
тактово-го генератора,а путем увеличения числа процессоров.

5

Были проведены работы по исследованию многофазных мультивибрато-ров
с магнитными межкскадными связями [4],одновременно проводились работы по
их использованию в различных многоканальных информационных системах
[5,6].

Особое внимание было уделено вопросам управления релаксационными
схемами, вообще, и многофазными, в частности.Известно,что ценность
ре-лаксацонных схем: триггеров и мультивибраторов, состоит в том,что они
управляются внешним напряжением: не только синхронизируются, как
синусоидальные генераторы, но и синфазируются,т.е. срабатывают в момент
подачи управляющего импульса.И наибольший интерес представляет проб-лема
управления в высокочастотном диапазоне работы импульсных схем
(длительность импульсов порядка и менее 1нс) и выявления причин потери
управления.

Известная теория управления, разработанная ещё в 30-х годах,не
только не отвечала на этот вопрос, но давала неточные
рекомендации.Классические зоны сихронизации (а точнее зоны
синфазирования для импульсных схем) показывали, что импульс релаксатора
можно уменьшать до сколь угодно малой величины, что не соответствует
действительности.В действительности эти зоны ограничены слева.

Основная причина оказалась в том,что с повышением частоты
управления длительность фронта релаксационной схемы становится
соизмеримой с дли-тельностью вершины и релаксационная схема приобретает
свойства квази-синусоидального генератора, который не синфазируется, а
синронизирует-ся,т.е. работает с частотой управляющих импульсов или ей
кратной, а быс-трая стадия опрокидывания начинается в различной фазе по
отношению к импульсам управления, что не даёт возможности их
использовать в информа-

ционных системах, преобразующих дискретную информацию в строго

фиксированные моменты времени.

Все эти вопросы были изложены в монографии [7],за которую авторы
по-лучили престижную именную премию Национальной Академии наук Украи-ны
в области энергетики в 1988г.

Работа над многофазными схемами позволила организовать известную в
союзе научную школу.На эту тему под руководством автора было защищено 10
диссертаций и опубликовано около 200 научных работ.

Наиболее широкое распространение в 50-е годы многофазные
релакса-торы получили в многоканальных информационных системах
различного назначения с временным разделением каналов в качестве
коммутаторов (распредилителей во времени и в пространстве).

Спустя почти 20 лет эти схемы позволили создать быстодействующую,
экономичную дискретную развёртку для жидкокриталлических
монито-ров.Сегодня эти схемы уже вошли в учебники,в энциклопедии и
стали в определённом смысле «всенародными», упоминание об авторе
перестало быть необходимым, с чем приходится «мириться».

Многофазные релаксаторы позволяют осуществлять одномерное скани-

6

рование в пространстве, а также двумерное или трёхмерное, что необходимо
для воспроизведения изображений, в частности, в современных
фотоаппа-ратах и плоских мониторах, а также дискретно сканировать
электронные запоминающие устройства типа USB Flash Drive.

Разработка качественной теории многофазных мультивибраторов
пока-зала, что эта схема одновременно реализует новый раннее неизвестный
фи-зический эффект : «дискретного, скачкообразного переноса в
пространстве локальной зоны импульсного возбуждения в виде импульса
напряжения или магнитного возбуждения, возникаемой в однородной
цепочечной (связан-ной) электронной среде (единой схеме)». Запатентовать
это как физический эффект не удалось,поскольку в бывшем СССР в те годы
не выдавали патен-ты частным лицам.

Необходимо отметить,что спустя примерно 20 лет подобный эффект
пере-носа, но уже электрического заряда был открыт в кристаллах, что
привело к построению кристаллических фотоматриц, которые стали основой
сегодня-шней фотоаппаратуры.

До сегодняшнего дня интерес к многофазным релаксаторам не пропал и
в интернете можно обнаружить новые работы различных авторов по
многофаз-ным схемам и их применению.

В настоящее время в связи с разработкой дискретных мониторов,
микро-миниатюрных фотосенсорных камер,элементов памяти типа Stick,
жидкокри-сталлических мониторов интерес к многофазным релаксаторам как
предель-но экономичным по потреблению и числу элементов схемам,
создающим сдвинутую во времени и в пространстве последовательность
импульсов,

сканирующих просранство по строкам и столбцам, должен существенно

возрасти.

Не исключено,что фирмы,разрабатывающие схемотехнику для
сканиро-вания плоских изображений, уже используют многофазные схемы в
виде модулей, однако получить какую-либо информацию не представляется
возможным.

К сожалению,в связи с политическим противостоянием между бывшим
Советским союзом и западными государствами автор не имел возможности
публиковаться в западноевропейской литературе. Даже в современных
запад-ноевропейских учебниках по импульсной технике для вузов авторы
утвер-ждают,что существуют лишь релаксационные схемы с двумя состояниями
(двухфазные),что уже более 50-ти лет не соответствует действительности.В
тоже время в русскоязычном интернете [Google,беленький, многофазные
мультивибраторы или беленький,многофазные релаксаторы] работы автора
широко представлены.

Однако более широкое их внедрение ещё ждёт своей реализации и
воз-можно только тогда,когда в учебниках и в литературе и в учебниках по
им-пульсной технике на английском, немецком и других европейских языках
информация о многофазных релаксационных генераторах получит такое же
распространение,как и о обычных - двухфазных.

7

Сегодня релаксационные генераторы как двухфазные, так и
многофаз-ные сегодня являются основой современной информатики, которая
разви-валась и развивается со огромной скоростью, что позволяет ей
делать, как писал в своём завещании «отец» Нобелевской премии,
изобретатель дина-мита, шведский учёный Альфред Нобель, « наибольший
вклад в развитие человечества».Часть этого вклада внесло изобретение
многофазного мультивибратора и последующее развитие тематики, связанное
с многофаз-ными релаксационными схемами.

Расширение информационной теории К.Шеннона

на пространственно-временные процессы

Теория информации была разработана американским математиком
К.Шенном в 50-е годы прошлого столетия. Она объясняла одномерные
временные информационные процессы, относящиеся, в основном, к передаче
текстовых сообщений.

Однако развитие информационных приборов с индикацией на двумерном
экране, привело к необходимости разработки теории для пространственных
процессов. В 80-е годы автор обнаружил,что между временными и
простран-ственными информационными процессами существует определённая
симме-трия и это позволило обобщить теорию К.Шеннона на
пространственные и пространственно- временные процессы [9,10] .В этих
работах показано, что каждая информационная система, каналы связи
обладают некоторой харак-теристикой, которая была названа функцией
неопределённости и которая

определяет информационные ограничения информационных систем и
ус-танавливает связь и обменные соотношения между важнейшими
инфор-мационными параметрами такими,как быстродействие,пространственное
разрешение и точность.

В течение порядка 25 лет после публикации первой монографии [9] ,
опубликованной в 1984г. в литературе не появлялись работы по развитию
информационной теории для пространственных процессов.Вероятно, это
связано с тем, что сегодняшние технические решения пока удовлетворяют
требованиям практики, как это было до разработки теории К.Шеннона.

Однако не за горами то время, когда нужно будет далее повышать
техни-ческие характеристики систем и здесь без теории, предсказывающей
пре-дельные информационные возможности систем не обойтись.Вообще, для
новых научных идей сроки их использования определяются, как правило, не
новизной, а их практической необходимостью.

С работами на русском языке также можно познакомиться по
моногра-фиям.В интернете по адресам: «беленький я.е.многофазные
релаксаторы», «беленький я.е.многофазные мультивибраторы»,
«я.е.беленький, измерения» или «беленький я.е.» можно найти указания,
где эти книги можно приоб-рести.

В заключении прилагается список и фото монографий, изданных на на
русском языке.

8



Список монографий автора

а) по многофазным релаксаторам и их внедрению


1.Я.Е.Беленький, «Многофазные релаксаторы »,издательство украинской

Академии Наук «Наукова думка»,Киев,1964г.,240 стр.

2.Я.Е.Беленький,«Многофазные релаксационные схемы на транзисторах »,

издательство «Связь»,Москва,1972 г.130 стр.

3.Я.Е.Беленький,А.Г.Тищенко «Многофазные мультивибраторы наносекун-дного
диапазона»,издательство украинской Академии Наук «Наукова дум-

ка», Киев,1972г.,156 стр.

4.Я.Е.Беленький, О.Е.Левицкий «Многофазные магнито-транзисторные
релаксаторы», издательство украинской Академии Наук «Наукова думка»,

Киев,1974г.,158 стр.

5.Я.Е.Беленький,Б.М.Кац «Многоканальные бесконтактные сигнализаторы
температуры»,издательство «Энергия»,Москва 1974 г.120 стр.

6. «Коммутаторы аналоговых сигналов на полупроводниковых элементах » под
редакцией Я.Е.Беленького,авторы Я.Е.Беленький,Я.П.Маршалок, А.Г.Ти-

щенко, Э.К.Туфлин, издательство «Энергия»,Москва,1976 г.208 стр.

8. «Управление релаксационными генераторами» под редакцией доктора

технических наук Я.Е.Беленького,авторы:Я.Е.Беленький, О.Е.Левицкий,
В.А.Халин,С.Г.Шульгин, издательство украинской Академии Наук «Наукова

думка»,Киев,1982г.,280 стр.

б) по информационной теории измерений:

7.Я.Е.Беленький,В.В.Кошевой, «Системы пространственно-временного
пре-образования информации»,под редакцией д-ра техн.наук Я.Е.Беленького,
из-дательство украинской Академии Наук «Наукова думка»,Киев,1979г.,259
стр.

9.Я.Е.Беленький, «Измерение параметров пространственных полей» ,
изда-тельство украинской Академии Наук «Наукова думка»,Киев,1985г.,288
стр.

10.Я.Е.Беленький, «Принцип квазиортогональности в измерениях»
,издатель-ство украинской Академии Наук «Наукова думка»,Киев,1992г.,224
стр.